第7章软件定时器 Software Timer — FreeRTOS 实时操作系统

关键概念

软件定时器 (Software Timer)

由 FreeRTOS 内核软件实现的定时器，超时后调用用户注册的回调函数。它不占用宝贵的硬件定时器外设，一个系统可轻松创建几十上百个，非常适合超时监控、周期性轻量任务、去抖延时等。精度取决于系统节拍 configTICK_RATE_HZ。

定时器服务任务 (Timer Daemon)

启用 configUSE_TIMERS=1 时，调度器自动创建的一个后台任务，专门管理所有软件定时器。所有定时器回调都在这一个任务的上下文里串行执行。它的优先级 configTIMER_TASK_PRIORITY 和栈 configTIMER_TASK_STACK_DEPTH 需按回调负载合理设置。

定时器命令队列

用户调用 xTimerStart/Stop/Reset 等 API 时，并不会直接操作定时器，而是把"命令"发到一条队列，由 Daemon 任务取出执行。队列长度 configTIMER_QUEUE_LENGTH。这解释了为什么定时器操作是异步的、且带一个 xTicksToWait 参数（命令入队的等待时间）。

单次定时器 (One-shot)

xTimerCreate 的 uxAutoReload=pdFALSE。启动后只触发一次回调，然后进入休眠（dormant）状态，需再次 Start 才会重新计时。适合"延时 N ms 后做一件事"，如按键长按判定、通信超时。

周期定时器 (Auto-reload)

uxAutoReload=pdTRUE。每次超时后自动重新装载周期，无限循环触发回调，形成固定周期的心跳。适合状态灯闪烁、周期上报、看门狗喂狗等，无需为此专门开一个任务。

Timer ID 与回调参数

每个定时器可绑定一个 void* 的 ID（pvTimerGetTimerID 读取，vTimerSetTimerID 修改）。回调函数原型是 void cb(TimerHandle_t xTimer)，通过句柄取回 ID，可用于让多个定时器共用一个回调并区分身份，或存放计数等小状态。

Start / Stop / Reset / ChangePeriod

四组控制命令。xTimerStart 启动/重启计时；xTimerStop 停止；xTimerReset 把计时归零重新开始（常用于"喂狗"式的超时刷新）；xTimerChangePeriod 动态修改周期。都有 *FromISR 版本供中断使用。

软件定时器 vs 硬件定时器

硬件定时器（如 STM32 的 TIM）由芯片外设产生中断，精度高（微秒/纳秒级）、抖动小、可直接产生 PWM/捕获，但数量有限。软件定时器精度到 tick（毫秒级）、有 Daemon 调度延迟和抖动，但数量几乎无限、用起来简单。高精度/高频用硬件，管理型/低频用软件。

软件定时器的工作机制

软件定时器：命令队列 + Daemon 任务 ═══════════════════════════════════════════════════════════ 用户任务 / ISR Timer Daemon 任务 ┌──────────────┐ xTimerStart/Stop/Reset ┌────────────────────┐ │ xTimerReset()│ ───────命令────────────────►│ 从命令队列取命令 │ └──────────────┘ │ │ 维护所有定时器列表 │ ▼ │ 计时到期→调用回调 │ [定时器命令队列] │ cb(xTimer) 串行执行 │ len=configTIMER_QUEUE_LENGTH └─────────┬──────────┘ │ 所有回调都在此任务上下文运行 ────┘ → 回调里绝不能阻塞，否则拖垮全部定时器

回调函数三条红线

软件定时器回调运行在 Daemon 任务里，且所有定时器共用这一个任务，因此：① 绝不能阻塞——不能 vTaskDelay、不能用 portMAX_DELAY 等待队列/信号量，一旦阻塞，其他所有定时器全部停摆。② 必须简短——回调耗时越长，后续定时器抖动越大。③ 重活转交任务——需要长时间处理时，在回调里发个信号量/队列通知专门的任务去做。

创建周期定时器：LED 心跳

#include "FreeRTOS.h"
#include "timers.h"

TimerHandle_t g_blinkTimer;

/* 回调：翻转 LED。简短、不阻塞 */
void BlinkCallback(TimerHandle_t xTimer) {
  (void) xTimer;
  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_12);
}

void setup_timer(void) {
  g_blinkTimer = xTimerCreate(
      "blink",                    /* 名字（调试用） */
      pdMS_TO_TICKS(500),          /* 周期 500ms */
      pdTRUE,                      /* uxAutoReload：周期定时器 */
      (void *)0,                  /* Timer ID */
      BlinkCallback);              /* 回调函数 */
  configASSERT(g_blinkTimer);

  /* 启动：命令入队等待最多 100ms */
  if (xTimerStart(g_blinkTimer,
                  pdMS_TO_TICKS(100)) != pdPASS) {
    printf("timer start cmd failed\r\n");
  }
}

单次定时器 + Reset：通信超时监控

典型"看门狗"用法：每收到一包数据就 Reset 定时器；若一段时间没数据，单次定时器超时触发，判定链路断开。

TimerHandle_t g_linkWatchdog;

void LinkTimeout(TimerHandle_t t) {
  (void) t;
  printf("link lost: no data for 2s\r\n");
  set_link_state(LINK_DOWN);   /* 简短标记，重活交任务 */
}

void setup_watchdog(void) {
  g_linkWatchdog = xTimerCreate("link",
      pdMS_TO_TICKS(2000), pdFALSE,  /* 单次 2s */
      NULL, LinkTimeout);
  xTimerStart(g_linkWatchdog, 0);
}

/* 每收到一包数据就调用：把 2s 计时归零重新开始 */
void on_packet_received(void) {
  xTimerReset(g_linkWatchdog, 0);
}

/* 在 ISR 里刷新超时用 FromISR 版本 */
void USART_IRQHandler(void) {
  BaseType_t woken = pdFALSE;
  /* ... 读取数据 ... */
  xTimerResetFromISR(g_linkWatchdog, &woken);
  portYIELD_FROM_ISR(woken);
}

用 Timer ID 让多个定时器共用回调

/* 三个定时器共用一个回调，用 ID 区分 */
void SharedCallback(TimerHandle_t t) {
  uint32_t id = (uint32_t)pvTimerGetTimerID(t);
  switch (id) {
    case 0: on_sensor_poll();  break;
    case 1: on_led_update();   break;
    case 2: on_heartbeat();    break;
  }
  /* 也可把 ID 当计数器累加，实现"第 N 次触发做特殊事" */
}

Reset 与 Start 的微妙区别

对已在运行的定时器：xTimerStart 也会把计时重新归零（等价于 Reset）。对已停止(dormant)的定时器，两者都会启动它。xTimerReset 的语义就是"从现在起重新计满一个周期"，在"喂狗"场景下语义最清晰。要动态改周期用 xTimerChangePeriod，它同时会启动定时器。

软件 vs 硬件定时器选型

维度	软件定时器	硬件定时器 (TIM)
精度	tick 级（通常 1ms）	μs / ns 级
抖动	受 Daemon 调度影响，较大	极小，由硬件保证
数量	几乎无限（受内存）	有限（芯片外设数量）
能否直接产 PWM/捕获	否	是
回调上下文	Daemon 任务	中断上下文
典型用途	超时监控、周期轻任务、去抖	PWM、精确采样、电机换相

Daemon 优先级配置不当会出问题

若 configTIMER_TASK_PRIORITY 设得太低，高优先级任务长期占用 CPU 时定时器回调会被拖延，周期严重抖动；设得太高，回调里的任何耗时又会抢占重要任务。经验：把 Daemon 优先级设在中等偏高，并严格保证回调简短。命令队列 configTIMER_QUEUE_LENGTH 太短则高频 Start/Reset 命令会入队失败。

本章小结

软件定时器由内核软件实现，不占用硬件 TIM 外设，可创建大量实例，精度到 tick（通常毫秒级）。启用 configUSE_TIMERS=1 后内核自动创建一个 Timer Daemon 任务，所有定时器回调都在它这一个上下文里串行执行；用户的 Start/Stop/Reset/ChangePeriod 命令先发到定时器命令队列，由 Daemon 异步执行（故这些 API 带命令入队超时参数并有 FromISR 版本）。xTimerCreate 的 uxAutoReload 决定单次(pdFALSE)还是周期(pdTRUE)。每个定时器可绑定 void* ID 供回调区分身份。回调三红线：绝不阻塞、必须简短、重活转交任务，否则拖垮所有定时器。xTimerReset 把计时归零，是超时监控/喂狗的最佳语义。软件定时器适合超时监控、周期轻任务、去抖；需要高精度、低抖动、PWM/捕获时用硬件定时器。Daemon 的优先级与栈、命令队列长度需按负载合理配置。

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